胡建平, 王留柱, 付鵬洋, 黃 磊

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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移栽機(jī)自動升降底盤設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

胡建平, 王留柱, 付鵬洋, 黃 磊

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對旱地移栽機(jī)插深一致的需要，設(shè)計(jì)了一種基于雙四桿機(jī)構(gòu)的移栽機(jī)自動升降仿形底盤，包括底盤機(jī)架、導(dǎo)向輪、驅(qū)動輪、仿形機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和液壓控制回路等。對雙四桿底盤升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析，建立了底盤升降高度與液壓缸伸縮量之間的數(shù)學(xué)模型。用SolidWorks建立了該移栽機(jī)升降底盤的虛擬樣機(jī)模型，并將虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS中，基于ADAMS/Hydraulics建立了移栽機(jī)自動升降底盤的機(jī)液聯(lián)合仿真模型，進(jìn)行機(jī)液聯(lián)合仿真分析，得到了底盤高度、液壓缸受力等相關(guān)參數(shù)變化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析了的正確性，表明所設(shè)計(jì)的底盤升降機(jī)構(gòu)和液壓回路能夠滿足工作需求。以自制的2ZXW-2型穴盤苗自動移栽機(jī)為試驗(yàn)對象，以底盤和壟面間距穩(wěn)定性及缽苗栽植深度均勻性作為評價(jià)指標(biāo)，對樣機(jī)仿形作業(yè)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：作業(yè)中底盤和壟面的間距能夠基本保持穩(wěn)定，缽苗栽植深度合格率為98%，栽植深度變異系數(shù)0.036，自動升降仿形底盤滿足設(shè)計(jì)要求，很好地保證了缽苗栽植深度的均勻性。

移栽機(jī)；自動升降；底盤設(shè)計(jì)；仿真分析； 試驗(yàn)研究

0 引言

移栽作為一種栽培技術(shù)，具有對氣候的補(bǔ)償作用和使作物生育提早的綜合效益,可充分利用光熱資源,延長作物生長時間，提高作物產(chǎn)量，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀[1-2]。移栽機(jī)底盤作為移栽機(jī)的載體,要完成在田間的行走、轉(zhuǎn)向、離合、高度調(diào)節(jié)等系列動作,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須符合作物移栽的相關(guān)農(nóng)藝要求。

目前，國內(nèi)自主研制的移栽機(jī)底盤大多采用手動式升降結(jié)構(gòu)，地面凹凸不平時不能實(shí)時調(diào)節(jié)底盤與壟面的距離，影響缽苗栽植深度的均勻性，不能滿足壟上栽植的要求。孫松林、王金葵對壟高自適應(yīng)煙葉移栽機(jī)的底盤進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，設(shè)計(jì)了一種自動導(dǎo)向仿形煙苗移栽機(jī)底盤[3]；王德成、趙建柱設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用仿形履帶式動力底盤，并對履帶仿形底盤進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證[4]。但上述底盤都有一定的使用局限性。

本文針對現(xiàn)有移栽機(jī)底盤不能實(shí)時調(diào)節(jié)栽植平臺與地面的相對高度的問題，設(shè)計(jì)出一種自動升降仿形底盤。該底盤能夠?qū)崿F(xiàn)自動升降和仿形功能，作業(yè)中可根據(jù)地面的高低變化實(shí)時調(diào)節(jié)底盤和壟面的間距，以保證栽植深度的均勻性，提高缽苗的栽植質(zhì)量。

1 自動升降仿形底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

1.1 自動升降仿形底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 自動升降仿形底盤組成

如圖1所示，升降底盤由機(jī)架、前輪、后輪、地面仿形輪、升降機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)等組成。升降機(jī)構(gòu)對稱布置在機(jī)架兩側(cè)，由液壓缸推動前輪、后輪上的支桿繞輪心轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)底盤的自動升降[5-7]。

1.地面仿形輪 2.后輪 3.后支桿 4.升降機(jī)構(gòu) 5.前輪 6.前支桿 7.液壓缸 8.機(jī)架 9.液壓系統(tǒng)圖1 底盤結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The schematic diagram of the chassis

1.1.2 底盤升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

底盤升降機(jī)構(gòu)由3個四連桿機(jī)構(gòu)ACBG、CIHG和CDFE組成，如圖2所示。

圖2 底盤升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖Fig.2 Chassis lifting mechanism design diagram

(1)

(2)

(3)

(4)

t時刻，C點(diǎn)的坐標(biāo)為(mcos(α+Δα),msin(α+Δα))，G點(diǎn)坐標(biāo)為(l+ncos(β+Δβ),R1+nsin(β+Δβ))，可以得出

h0+Δh=R1+nsin(β+Δβ)

(5)

Δh=nsin(β+Δβ)-nsinβ

(6)

為了實(shí)現(xiàn)底盤的平行升降，將四桿機(jī)構(gòu)ACGB和CIHG設(shè)計(jì)為平行四邊行機(jī)構(gòu)，則

(7)

因?yàn)镃I和GH相等，AC和BG相等，從而α和β相等。在平行四連桿機(jī)構(gòu)ACGB桿長和G點(diǎn)的離地高度h0確定以后，α和β也是確定的，即

(8)

在l0、l2、l3、l4、l5及θ4和油缸的安裝位置E點(diǎn)給定以后，θ1和θ2也是確定的，且根據(jù)平行四邊形機(jī)構(gòu)原理Δγ、Δβ、Δα三者是相等的，則

(9)

設(shè)計(jì)時，根據(jù)整機(jī)尺寸、底盤高度及缽苗移栽的農(nóng)藝要求，選取前后輪半徑R1=180mm、R2=225mm，前后輪距l(xiāng)=625mm，前、后支桿長度取600mm。G點(diǎn)初始離地高度h0為400mm時，由式(7)、式(8)計(jì)算得到l5=k=626.62mm，α=β=21.51°。取l0=110mm，l1=350mm，l2=310mm，l3=l4=100mm，設(shè)計(jì)底盤升降高度Δh為150mm，由式(9)計(jì)算得到油缸活塞桿的伸縮量Δl1為64.45mm，該計(jì)算結(jié)果為選取液壓油缸行程提供了科學(xué)依據(jù)。

1.2 底盤液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.2.1 液壓回路設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)回路由液壓泵、三位三通換向閥、液壓缸及溢流閥等組成，如圖3所示。換向閥處于左位時，油口P和A接通，液壓泵供油進(jìn)入液壓缸左腔，活塞在壓力油壓力的作用下向右運(yùn)動，通過活塞桿帶動升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個底盤的提升；換向閥處于右位工作時，油口A和T接通，由于機(jī)體自身重力的作用，活塞左移，液壓缸左腔的壓力油在活塞推力的作用下回到油箱，升降機(jī)構(gòu)下降。

1.油箱 2.溢流閥 3.三位三通換向閥 4.液壓缸 5.液壓泵圖3 液壓控制回路簡圖Fig.3 The schematic diagram of hydraulic control circuit

1.2.2 自動升降仿形底盤工作原理

移栽機(jī)工作時，由仿形機(jī)構(gòu)感知壟面的高低變化，把采集到的信號傳遞到液壓控制回路，液壓控制回路中的方向閥根據(jù)采集到的信號實(shí)時地調(diào)節(jié)液壓油的流通方向；液壓油推動液壓缸伸縮，通過液壓缸的伸縮帶動升降機(jī)構(gòu)升降，從而自動調(diào)節(jié)底盤離地間隙，以保證移栽平臺和壟面有一個相對穩(wěn)定的高度，提高秧苗栽植深度的均勻性，保證栽植效果。

2 自動升降底盤機(jī)液聯(lián)合仿真分析

2.1 虛擬樣機(jī)底盤模型的建立

根據(jù)升降底盤的設(shè)計(jì)參數(shù)，在SolidWorks中建立自動升降底盤的三維零部件模型與裝配模型，把建立的三維模型導(dǎo)入到動力學(xué)仿真軟件ADAMS中[8-10]。根據(jù)底盤的升降運(yùn)動要求,在各部件之間添加固定副、旋轉(zhuǎn)副、滑移副和接觸等約束。為了仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況，需要在機(jī)架上添加載荷，以模擬整機(jī)升降過程中底盤所要承載的質(zhì)量，所以在虛擬樣機(jī)的機(jī)架上添加1 500N的單向固定力來模擬底盤所承受的載荷。ADAMS中建立完成底盤的虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

圖4 底盤虛擬樣機(jī)模型Fig.4 The chassis virtual prototype model

2.2 液壓系統(tǒng)模型的建立

在ADAMS/Hydraulic環(huán)境下建立液壓回路，主要包括環(huán)境參數(shù)設(shè)置、創(chuàng)建工作介質(zhì)、油箱、壓力泵、換向閥及液壓缸等。液壓元件建立完成后，利用Hydraulic的Connect功能依次將各元件按所設(shè)計(jì)液壓回路連接起來，并將液壓回路虛擬連接到機(jī)械模型上，建立的液壓系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 液壓回路模型圖Fig.5 The model of hydraulic circuit

液壓回路中, 換向閥采用STEP函數(shù)控制：STEP(time，0.0，0.0，0.3，0.1)+STEP(time，0.7，0.0，1.3，-0.2)+STEP(time，1.7，0.0，2.0，0.1)，控制壓力油流動方向,從而驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)完成預(yù)定動作?？刂坪瘮?shù)如圖6所示。

圖6 換向閥控制函數(shù)曲線Fig.6 The control function curve of the reversing valve

2.3 機(jī)液聯(lián)合仿真分析

上述設(shè)置完成后，進(jìn)入仿真對話框，設(shè)定仿真時間為 4s(兩個完整升降周期)，步數(shù)為500，進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)束后，進(jìn)入后處理模塊加載所需曲線，底盤前支桿G點(diǎn)位移曲線和液壓缸驅(qū)動力變化曲線如圖7和圖8所示。

圖7 前支桿G點(diǎn)位移曲線Fig.7 The displacement curve of the front strut G point

圖8 液壓缸驅(qū)動力變化曲線Fig.8 The curve of driving force change about the hydraulic cylinder

由圖7可知：當(dāng)液壓缸活塞伸長65mm時，前支桿G點(diǎn)位移升高152mm，與理論設(shè)計(jì)計(jì)算相符。這說明底盤升降高度滿足要求，驗(yàn)證了參數(shù)選擇和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

由圖8可知：底盤升降過程中驅(qū)動力最大為3 550N，該結(jié)果可為液壓元件的選擇及后續(xù)機(jī)液聯(lián)合仿真提供參考。底盤前支桿G點(diǎn)位移曲線和液壓缸驅(qū)動力變化曲線與換向閥控制函數(shù)曲線趨勢一致，表明換向閥實(shí)現(xiàn)了控制液壓缸運(yùn)動換向的目的，且設(shè)計(jì)的底盤升降機(jī)構(gòu)和液壓控制回路能夠滿足運(yùn)動要求。

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證升降仿形底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以自制的2ZXW-2型穴盤苗自動移栽機(jī)為研究對象，對自動升降仿形底盤的作業(yè)性能以及該底盤對缽苗栽植深度均勻性的影響等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)分為測距試驗(yàn)和栽植試驗(yàn)[11-12]，樣機(jī)底盤和壟面間距檢測如圖9所示。

1.試驗(yàn)樣機(jī) 2.超聲波傳感器 3.計(jì)算機(jī) 4.微機(jī)電源 5.數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)圖9 樣機(jī)底盤和壟面間距檢測試驗(yàn)Fig.9 The prototype chassis and ridge surface spacing test

3.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)是在江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院的土槽上進(jìn)行的，試驗(yàn)土壟是經(jīng)過除草、起壟的旱地，壟高為120～160mm，旨在對所設(shè)計(jì)底盤仿形機(jī)構(gòu)的仿形工作性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。為了更直觀地展現(xiàn)仿形機(jī)構(gòu)的仿形效果，在起好的壟面上設(shè)置4個凹坑作為參考點(diǎn)，在0.3m/s栽植速度下測量底盤和壟面的實(shí)時間距。采用苗齡為20天的黃瓜苗作為試驗(yàn)秧苗，單人操作試驗(yàn)樣機(jī)，以30株/min的栽植速度進(jìn)行作業(yè),連續(xù)移栽90株后對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。每10株/min為一組，共分成9組，選取其中5組對栽植深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2 栽植質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)中以底盤和壟面間距穩(wěn)定性及缽苗栽植深度均勻性作為評價(jià)指標(biāo)。對于底盤和壟面間距穩(wěn)定性，試驗(yàn)通過超聲波傳感器實(shí)時測量底盤和壟面的間距H。缽苗栽植深度均勻性可用栽植深度的變異系數(shù)CV來表示, 其計(jì)算公式為

(10)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖10表示樣機(jī)在0.3m/s栽植速度下，移栽作業(yè)過程中，仿形機(jī)構(gòu)工作時底盤和壟面間距的變化情況。從壟高曲線可以看出：壟高在80～160mm之間變化，壟上設(shè)置有4個凹坑。從底盤和壟面間距曲線可以看出，二者間距值在140～165mm之間變化，波動比較平穩(wěn)。對比壟高曲線和間距曲線，可以發(fā)現(xiàn)在土壟凹坑位置，間距曲線有向上波動的趨勢，這說明仿形機(jī)構(gòu)存在一定的滯后性。

圖10 仿形機(jī)構(gòu)對底盤和壟面間距的影響Fig.10 The influence of profiling mechanism about the chassis and the

ridge surface spacing

表1栽植試驗(yàn)結(jié)果表明：栽植深度合格率為98%，栽植深度變異系數(shù)0.036。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的自動升降仿形系統(tǒng)能很好地保證了缽苗栽植深度的均勻性。

表1 缽苗栽植試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistics of seedling planting experiment

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種新型移栽機(jī)自動升降仿形底盤，該底盤由機(jī)架、導(dǎo)向輪、驅(qū)動輪、仿形機(jī)構(gòu)、升降連桿機(jī)構(gòu)和液壓控制回路等組成。同時，介紹了底盤升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程和工作原理，建立了底盤升降高度與液壓缸伸縮量之間的數(shù)學(xué)模型。

2)建立了自動升降底盤的虛擬樣機(jī)模型，并將虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真分析，當(dāng)液壓缸活塞伸長65mm時，前支桿G點(diǎn)位移升高152mm，與理論設(shè)計(jì)計(jì)算相符。說明底盤升降高度滿足要求，驗(yàn)證了參數(shù)選擇和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性，且設(shè)計(jì)的液壓回路能夠滿足工作需求。

3)對自動升降仿形底盤進(jìn)行了試驗(yàn)研究，選取底盤和壟面間距穩(wěn)定性及缽苗栽植深度均勻性作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)得到栽植深度合格率為98%，栽植深度變異系數(shù)0.036，表明所設(shè)計(jì)的自動升降仿形底盤能夠保證作業(yè)過程中底盤和壟面間距的穩(wěn)定性和插深的一致性，滿足設(shè)計(jì)要求。

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Transplanting Machine Automatic Lifting Chassis Design and Simulation Analysis

Hu Jianping, Wang Liuzhu，F(xiàn)u Pengyang，Huang Lei

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education，Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China)

In this paper, in accordance with the planting need of transplanting machine inserted deep consistent, we design a transplanting machine automatically lifting profile chassis based on double four-bar linkage mechanism, including chassis frame, guide wheel, driving wheel, profiling mechanism, lifting mechanism and hydraulic control circuit and so on. Theoretical analysis was carried out on the double four-bar chassis lifting mechanism. We established the virtual prototype model of the transplanting machine lift chassis by modeling software SolidWorks, and imported the virtual prototype model into rigid motion simulation software ADAMS to carry out the kinematics simulation analysis. We established the hydraulic circuit in the environment of ADAMS/Hydraulics, and connected to the mechanical system virtually, then we took simulation analysis on mechanical-hydraulic system. We obtained the chassis height, hydraulic cylinder force and relevant parameters, the simulation results verify the correctness of theoretical analysis of the lifting mechanism show that the design of the chassis and hydraulic circuit can meet the job requirements. We took the home-made 2ZXW-2 plug seedling automatic transplantingmachine as the experimental object. We used ultrasonic sensor, data acquisition analyzer testequipment, etc. to research the profiling performance of the profiling mechanism in the process of working. We select the stability of the spacing between the chassis andthe ridge surface and the uniformity of seedling planting depth as the evaluation index of profiling work performance.The distance measurement test result shows that the spacing between the chassis and the ridge surface can keep stable.Planting experiment shows that percent of pass about plugseedling planting depth is 98% and the variation coefficient of planting depth is small.Results show that the automatic lifting and profiling system can meet the design requirements and good to ensure the uniformity of plug seedling planting depth.

transplanting machine; automatic lifting; chassis design; simulation analysis; experimental study

2016-02-27

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B03)；江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2014373)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目(CX(15)1033-5)；江蘇省協(xié)同創(chuàng)新資金項(xiàng)目(NZXT02201402)

胡建平(1964-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)hujp@ujs.edu.cn。

S223.92

A

1003-188X(2017)03-0074-05